变速箱下线校验时域组合评价方法

金悦，范红忠

（上海汽车变速器有限公司，上海 201807）

引言

变速箱是整车中一个主要噪声辐射源，其 NVH性能是一个系统工程，不仅仅与设计相关，还与变速箱的生产制造过程息息相关。变速箱在生产制造过程中，存在着大量因零部件制造、运输和装配不良等因素引起的NVH质量问题[1]。从过程管理和质量控制角度看，变速箱 NVH下线校验关系到变速箱产品的出厂质量及早期故障的识别，可有效降低变速箱出厂后零公里问题总成和PDI问题总成比率，有时甚至关系到品牌的声誉。时域分析能直观地反映变速箱的运行状态，故障信号的特征与产品的故障点有良好的对应关系[2]；时域评价是产品下线校验的重要组成部分。变速箱噪声的表现具有相当的复杂性，受变速箱的工作档位、转速、载荷等因素影响很大；比如有些齿轮轮齿敲碰伤或毛刺在空载工况下表现出明显的振动冲击，而在受载工况下表现比较微弱；而有些则在受载时表现明显；还有一些在低转速下表现明显，而在高转速区间表现微弱，有些则相反。传统方法中对变速箱振动或噪声测试数据进行单一时域波形数据进行考核，无故障定位能力，无法判定是哪一档位齿轮缺陷引起此异常振动或噪声，具有相当大的局限性。为了能够合理、准确的对变速箱的 NVH进行全面可靠的评价，保证出厂质量，必须对变速箱下线校验提出更高、更全面的、更匹配变速箱实际使用工况的评价体系及方法。针对这种现状，本文阐述了一种针对DCT变速箱NVH下线校验时域评价体系，采用了指标组合评价的方法；该时域评价体系包括考核工况设定、评价指标定义、故障特征向量提取、评价限值设定、故障齿轮定位以及故障码矩阵的定义六大块功能；实现了零件级别的故障定位；对变速箱质量控制、噪声问题分析具有重要意义，且具有很大的经济意义；对其它类型的变速箱同样具有借鉴作用。

1 DCT变速箱结构

本文中干式DCT变速箱为7速变速箱，主要由双离合器模块、动力模块、变速箱本体以及连接线束组成；其中，动力模块在TCU的控制下通过电液系统实现各档位以及奇/偶离合器的控制；本文主要关注变速箱本体部分（传动系统）的振动考核。

该款变速箱包含奇/偶数两根输入轴、上/下两根输出轴和差速器小总成等关键零部件，基本结构如图1所示。可知。

1）两根输入轴嵌套在一起，分别与奇/偶离合器通过花键副相连接；其中输入内轴为奇数轴，与奇数离合器相连，控制奇数（1、3、5、7）档位，输入外轴为偶数轴，与偶数离合器相连接，控制偶数（2、4、6）档位和倒（R）档；内外轴之间布置大、中、小三个滚针轴承，起到支撑、定心作用。

2）上输出轴系包含3、5、4、R四个档位从动齿，并通过轴端齿轮与主减速齿轮啮合传递动力至两半轴；下输出轴系包含1、7、6、2四个档位从动齿，并通过轴端齿轮与主减速齿轮啮合传递动力至两半轴。

3）差速器通过主减速齿轮与两输出轴轴端齿轮连接、同时通过行星轴系将动力传递至两半轴。

图1 某款 DCT变速箱结构简图

2 台架NVH下线测试原理

2.1 测试系统

图2描述了EOL下线测试系统的组成以及各关键信息的传递方向与路径。本文研究重点是振动信号与转速信号融合后时域评价指标的组合运用，以提升故障识别率。

图2 测试系统组成

2.2 传感器布置点的选择

在振动测试中，通过测量壳体振动反映变速箱内部振动；振动信号测点应尽可能布置在靠近轴承且刚性较好的部位[3,4]；且应布置在距离轴承中心（振源）距离最短且振动波的纵向传递方向上[5]。在同时考虑到EOL台架自动化及空间的布置，本文将振动信号测点布置在变速箱输入轴底部轴承正上端平面上，如图3所示。

图3 振动传感器布置点

2.3 测试工况

EOL下线校验台架NVH测试工况一般包括两种类型，一种类型为考核对象转速为匀速；另一种类型为考核对象为非匀速（主要为斜坡升、降速）。测试时，考虑到整车的实际使用情况，怠速工况考核和电液驱动模块（电子泵）考核适用于第一种类型；各传动档位承载工况适用于第二种类型。考虑到第一种类别可以看作第二种类别的一种特殊情况，故本文重点研究第二种类型。

图4 各档位承载工况NVH测试程序及评价区间

图4描述了承载工况下各档位的典型测试循环；其中，转速斜坡上升区间为正向驱动阶段，转速斜坡下降区间为反拖滑行阶段。在考核区间内分别完成对变速箱正向驱动和反向滑行的受载NVH考核。图5描述了某一档位下的详细测试评价区间。

图5 某档位详细测试工况及评价区间

3 时域指标组合评价

3.1 时域评价指标与特征向量定义

时域分析能直观地反映机器的运行状态，故障信号的特征与设备的故障点有良好的对应关系[6]。时域分析方法主要包括时差分析和统计指标分析两种；其中，时域统计特征评价是变速箱下线校验的主要评价方法之一，本文主要使用时域统计特征评价方法。

统计指标分析是指采用统计学的方法，完成统计指标评价。其评价指标一般包括有量纲和无量纲指标两大类，其中有量纲指标及其物理含义如表 1所示，无量纲指标及其对NVH问题的敏感性和稳定性，如表2所示。现有研究成果表明，针对变速箱初期故障问题，有量纲指标RMS、无量纲指标脉冲因数I、峰值因数C、峭度系数K，具有良好的辨识性、敏感性[7]；同时参照现场生产经验，本文确定评价指标特征向量Fv包含了有量纲指标RMS，和表2中所示的无量纲指标，如式（1）所示；其中RMS、峭度系数K和峰值因数C为关键评价指标，限值设定严格；其余指标为参考评价指标，限值可以设定稍宽松些。同时，评价系统中采用指标参数最大化原则，即同一信号通道同一评价指标随转速变化而求得的值取最大值与考核限值进行比较，进一步判断是否超差报故障码。

3.2 特征向量提取与故障码设定规则

NVH考核区间测得振动为非平稳时域信号，可以通过转速同步技术[8,9]将信号转化成角度域平稳信号，然后采用同步平均处理方法，完成某一转子级别的振动信号提取，为时域评价做好准备并实现故障定位。图6描述了特征向量提取和故障码生产过程。可知，经逐步分解后，振动信号的类型有三大类，分别为固定通道信号、混合通道信号和同步通道信号；其中，固定通道（fix）信号指经硬件设备按照固定采样频率 Fs采集得到经过初级后的原始振动信号；混合通道（mix）信号为固定通道信号经过以某一基准轴转频进行重采样后的角度域振动信号；同步通道（syn）信号为混合通道信号以基准轴的转频进行同步平均处理后的振动信号，通过此通道信号分析，可实现最终故障位置的确定；三类的通道表示如式（2）。

值得注意的是，一般时域考核与阶次域或频域考核同时进行，在完成振动信号的转化过程中也必须考虑阶次域的计算；故，针对变速箱一般阶次控制在256ord就足以表征其可能的故障范围，本文中重采样后角域采样点数为512点/转；经过此步处理的信号称之为混合通道（mix）信号，一般 8转完成一次FFT变换和时域指标考核，得到此刻的阶次谱图；此外考虑到数据计算量、诊断的实时性以及尽可能提高SNR，针对混合通道信号，一般4-5转做一次同步平均，形成同步通道（syn）信号，然后进行时域统计以及FFT分析；本文选取4转完成一次同步平均。

表1 有量纲指标及其物理含义

图6 特征向量提取和故障码生产过程

表2 无量纲指标及其敏感性与稳定性

一台总成校验故障信息应该是指示明确、判断准确、简洁明了；针对本文，其应该包含故障位置、故障类型、测试档位、驱动模式、超差指标等信息；故针对DCT变速箱定义以下内容：

编码格式如下：

故障码 ID 位置：has故障类型 in 测试档位 驱动模式@评价指标。

示例：

20040 Upper Shaft：has nick in 4thGear Drive mode@CREST(在4档Drive工况下上中间轴 旋转件有局部损伤)。

20041 Gout4：has nick in 4thGear Coast mode（在4档Coast工况下4档从动齿轮轮齿有局部损伤）。

故障码类型显示优先级：syn通道〉mix通道〉fix通道。

3.3 评价指标限值设定方法

评价指标的限值设定方法，1、由行业专家依据其经验直接给定，主要为时域的单项指标等；2、采集一定样本量的正常测试数据，依据这些数据完成评价限值的设定，设定方法如下：

其中，Vlimit：评价指标限值；

MEAN：均值，可由参考样本的求得；

Vsta：标准偏差，可由参考样本求得；

α：标准偏差系数，一般选取值为3；

Voffset：偏移量，可以通过修改此参数改变评价的极限值；

偏移量的设定，关系到评价指标的有效率，过大，易造成不合格总成溢出至客户端；过小，则造成合格总成不合理的返修或报废；故须谨慎设定。

4 案例分析

在DCT产品的生产过程中，有部分档位齿轮齿顶倒棱处存有敲碰伤等局部故障；在变速箱工作时，会发出“哒哒”声，极大的降低了变速箱的NVH品质；本文以4档从动齿敲碰伤（如图 7）为例，说明时域指标组合评价方法的有效性和优越性。

图7 4档从动齿敲碰伤

4.1 故障总成各通道间图谱对比

表3 4档工况基本参数

图8 各通道振动信号

表3为4档Drive mode模式下参与动力传递的齿轮副基本参数，可知，通过选取不同旋转件作为基准参考轴，进行角域同步分析，可分别得到各自基准轴的syn通道振动信号。图 8(a)为 fix通道原始振动信号，为典型的时变冲击衰减振动；图8(b)为mix通道振动信号，为重采样得到的角度域周期性冲击衰减振动。图8(c)～(f)分别为GIN4、GOUT4 GFDIn Up、GFDOut 和GFDInLow四个转子的 syn通道振动信号；可以看出，经过同步平均后， GOUT4 GFDInUp syn通道振动信号明显比其余转子syn通道振动幅值大，这说明fix通道和mix通道的冲击振动主要来自于GOUT4 GFDIn Up转子，即故障子零件为GOUT4 GFDInUp转子，实现了故障件的定位。图9为各通道的评价指标追迹图，通过此图可观察出各指标的随着转速变化的情况，可以看出，GOUT4GFDInUp转子的kurtosis指标一直处于较高水平，大于25，也可反映出问题所在。

图9 各通道指标的峭度指标追迹图

4.2 故障件与正常件对比

表4 故障件各通道实测值

表5 参考件各通道评价指标实测值

表6 该工况下各通道评价指标限值

表4 为评价指标的最终获得值；表5为正常总成（参考用）在该工况下的评价指标值；图6为以经验和统计分析法设定的指标限值；可知，表4至表6数据表示，指标I、C、L、K均能反映出故障；其中，以峭度指标K的的敏感性、辨识性最好，可以有效识别并定位故障件位置。

程序报故障码（主码）：

20042 Upper Shaft：has nick in 4thGear Drive mode@KURTOSIS（在4档Drive工况下上中间轴 旋转件有局部损伤）。

5 结论

利用时域指标对变速箱进行组合评价，并详述评价方法的实施，实现了变速箱故障齿轮的定位；并通过案例验证，证实了方法的有效性。目前该方法已应用于我厂变速器产品的下线校验中，有效地降低了生产成本，具有可观的经济意义。

[1] 王艳赠,毛志伟.下线检测系统在变速器早期故障诊断中的应用[J].中国制造业信息化, 2012, 41(11)：76-82.

[2] 王泽贵,周益,周观鹏.变速箱啸叫声与下线台架振动的相关性试验研究[J].振动与冲击, 2012,31(23)：180-184.

[3] ZHOU Xiaofeng, SHI Haibo, SHANG Wenli. The evaluation method of sensor location for transmission fault diagnosis[C]// Proceedings of the 2nd IEEE Youth Conference on Information, Computing and Telecommunications (ICT2010). Washington, D.C.USA, IEEE,2010190-193.

[4] GB/T 6404.2-2005齿轮装置的验收规范第2部分：验收试验中齿轮装置机械振动的测定[S].

[5] 杨建玺,孟心斋,徐顺利等.变速箱振动测试测点位置的选择[J].洛阳工学院学报, 1994,15(2)：7-11.

[6] 屈梁生,张西宁,沈玉娣.机械故障诊断理论与方法[M].西安：西安交通大学出版社, 2009.

[7] 何正嘉,袁静,訾艳阳等.机械故障诊断的内积变换原理与应用[M].科学出版社.

[8] 周晓锋,史海波,尚文利,等.基于阶次分析理论的变速器故障判别实现方法[J].计算机应用研究, 2012, 29(8)：2967-2981.

[9] 丛华,吴广平,饶国强,等.计算阶次分析中避免阶次混叠的滤波定阶方法及其应用[J]. 振动与冲击, 2012,31(12)：42-44.